鎖相放大�實際上是一個模擬的傅立�變換�,鎖相放大器的輸出是一個直流電�,正比于是輸入信號中某一特定頻率(參�(shù)輸入頻率)的信號幅�。鎖相放大器被使用來偵測和量測非常小的交流訊號直至數(shù)� nV。甚至當訊號被比它大�(shù)仟倍雜訊掩蓋時,可以做正確的量�。主要優(yōu)點為”窄的頻寬�,能將電路特定的頻率與相位抓出,并過濾掉雜訊而可準確量得訊號�
1962年美國EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前�) 的臺鎖相放大�(Lock-in Amplifier,簡稱LIA)的發(fā)�,使微弱信號檢測技術得到標志性的突破,極大地推動了基礎科學和工程技術的�(fā)�。目前,微弱信號檢測技術和儀器的不斷進步,已經在很多科學和技術領域中得到廣泛的應�,未來科學研究不僅對微弱信號檢測技術提出更高的要求,同時新的科學技術發(fā)展反過來促進了微弱信號檢測新原理和新方法的誕生�
早期的LIA是由模擬電路實現(xiàn)�,隨著數(shù)字技術的�(fā)�,出�(xiàn)了模擬與�(shù)字混合的LIA,這種LIA只是在信號輸入通道,參考信號通道和輸出通道采用了數(shù)字濾波器來抑制噪�,或者在模擬鎖相放大器(簡稱ALIA)的基礎上多了一些模�(shù)轉換(ADC)、數(shù)模轉換(DAC)和各種通用�(shù)字接口功�,可以實�(xiàn)由計算機控制、監(jiān)視和顯示等輔助功�,但其核心相敏檢波器(PSD)或解調器仍是采用模擬電子技術實�(xiàn)�,本質上也是ALIA。直到相敏檢波器或解調器用數(shù)字信號處理的方式實現(xiàn)后,就出�(xiàn)了數(shù)字鎖相放大器(簡稱DLIA�,DLIA比ALIA有許多突出的�(yōu)點而倍受青睞,成為現(xiàn)在微弱信號檢測研究的熱點,但是在一些特殊的場合中,ALIA仍然�(fā)揮著DLIA不可替代的作��
我們欲� 鎖相放大� 中可準確的輸�1V的電�,精準的量測 I+與I-間待測樣品的特�。所以量測前必須做好校正工作。校正步驟如下:
1.待測樣品量測前,可先用電表量測待測物的電�,再判斷量測時所須之電流大小,這的步驟很重�,一旦判斷錯誤,使用的電流太大會燒壞樣品�
2.準備一校正用電阻盒,盒內有一組可變電�(1MΩ�10MΩ�100MΩ�1GΩ)和一用來校正電流的精密電� 10KΩ(假設樣品電阻� 10KΩ)3. 鎖相放大�(1) 先將 鎖相放大� � sensitivity 先調�,再按照 鎖相放大� 校正接線�(如圖�)接線�
(2) 假設需要量測電流為 10-7A,可變電阻選� 10MΩ,看電表顯示的數(shù)�,再� 鎖相放大� � sensitivity 調至適當?shù)臋n�(1mV),直到電表顯示數(shù)值接�10V(電表看到的數(shù)值是 鎖相放大器將輸出電壓放大 10倍的結果)�
(3) 輸出實際訊號大小(OSC LvL)設定� 1V,頻�(OSC F)調整至與 60互質的數(shù)(例如�23),為避免受周圍環(huán)境雜訊的干擾,調整訊號的相位(REFPH),將虛部訊號(訊號相位 90o)調整至接�0-V、虛部訊�(訊號相位 270o)調整至接� 0+V,實部訊�(訊號相位 0o�180o)調整� 10V。數(shù)值表示如下表
鎖相放大器是以相干檢測技術為基礎,利用參考信號頻率與輸入輸入信號頻率相關,與噪聲信號不相關,從而從較強的噪聲中提取出有用信�,使得測量精度大大提高,而它的核心部件為相敏檢測器(phase sensitive detector,簡稱PSD,又稱相關器�,圖1所示為鎖相放大器的原理框圖�
�1鎖相放大器原理圖
相敏檢測器是由乘法器和積分器組成,其中乘法器一般采用開關乘法器,積分器通常由低通濾波器組成,圖2給出相敏檢測器的構成原理��
�2相敏檢測器原理圖
一. 模擬鎖相放大器(ALIA�
SIGNAL RECOVERY公司�5209 �5210�5105�5106型是通用的ALIA,圖是其典型的結�,主要由信號輸入通道、參考輸入通道、相敏檢波器和正交相敏檢波器、輸出通道、微處理器和輔助�(shù)字部分組�。輸入通道包括信號輸入、低噪聲前置放大、電流電壓轉換、放大和組合濾波�。信號輸入有三種方式:單端電壓輸�,差分電壓輸入和電流輸入方式,可以適應被測信號為電壓和電流兩種形�。在被測信號為電壓信號的情況�,單端電壓輸入方式是常用的方式,如果信號中存在共模干擾信�,就采用差分輸入方式。低噪聲前置放大器的增益可調,也可根�(jù)頻率和源阻抗選擇最小噪聲因子的外接低噪聲前放或阻抗匹配變壓�,濾波器組主要分為陷波濾波器、組合濾波器,陷波濾波器是濾除工頻及其二次諧波的干擾;組合濾波器可靈活組成低�、高�、帶通和陷波四種模式。參考輸入通道由參考觸�(fā)、內部時�、可調相移器�90o固定相移器組�0~370o可變移相。參考輸入可用外部輸�,或內部時鐘信號(也可輸出用作被測信號的同步調制�,由于參考觸�(fā)整形電路的存�,只要求外部參考信號在一個周期內有兩個過零點并且有一定的幅度,這意味著方波、三角波和其它信�,以及如TTL信號或邏輯電平等,都可以像正弦信號一樣作為參考信號使�;內部時鐘產生內部相位開關來驅動相敏檢波器和正交相敏檢波器,使儀器運行于正交的雙相ALIA模式。相移器的調節(jié)使輸入信號與參考信號的相位差為�。在雙相位ALIA中,90o相移器輸出一個與輸入信號正交的參考信�,用來驅動兩個相敏檢波器,同樣通過后續(xù)的低通濾波器,分別檢測被測信�,經過直流放大器由電壓表顯示其結��
�. �(shù)字鎖相放大器(DLIA�
如果LIA的相敏檢波器(或同步解調器)是用�(shù)字信號處理的方式實現(xiàn)�,就成為DLIA。SIGNAL RECOVERY公司提供了多種的、系列的DLIA,如7210�7225�7225BPF�7265�7280�7280BFP等,其原理如�2所�。一般的結構包括以下一些部分,即信號輸入通道、參考輸入通道、數(shù)字相敏檢波器、正交數(shù)字相敏檢波器、數(shù)字低通濾波器、輸出通道、輔助輸入通道、輸出微處理�、輔助輸出通道和微控制器部分。其中信號的輸入通道與ALIA相同,只不過是交流放大必需保證轉換為數(shù)字信號時有足夠大的幅�??够殳B濾波器是模擬信號�(shù)字化之前所要考慮�,其作用是濾除不需要的頻率信號,并將要�(shù)字化的信號在不失真前提下將其頻率上限限制在采樣頻率的一半以�,避免ADC的信號出�(xiàn)虛假信號,即主ADC的采樣頻率必須滿足采樣定�。被轉換后的�(shù)字信號被送入�(shù)字信號處理器(DSP)中,依�(jù)一定的算法完成相敏檢波器的功能,再通過�(shù)字低通濾波器后獲取差頻后的直流信�。參考通道以信號輸入通道相同的采樣速率提供�(shù)字相敏檢波器所需要的相位信息,參考輸入通道同樣有內部和外部參考信號兩種。在外部參考信號模式下,輸入的模擬參考信號或邏輯電平,被一個DSP單元采用�(shù)字鎖相環(huán)算法測量其頻�,并產生所需要的相位信號。在內部參考信號的模式�,只需要給參考DSP單元輸入所需要的參考信號頻率值,就可以在所選定的頻率上產生�(shù)字相敏檢波處理單元所需要的相位信號,這種方式不需要外部參考信號和ALIA所需要的相位鎖相�(huán),因此不需要時間鎖相就可直接輸出相位信�,降低了相位噪聲。參考通道中的n倍頻器不僅可以在與輸入信號相同的頻率上進行鎖相,而且還可以在輸入信號的n倍諧頻上進行鎖相檢測,這在俄歇光譜學等領域中是非常有用�,但是n倍頻后頻率是受參考頻率限制的。參考信號處理單元也可實�(xiàn)�(shù)字參考相�,其精度可達到毫度。同相相位和正交相位信號在數(shù)字處理單元中一般通過查詢的方式實�(xiàn),可以使同相相位信號和正交相位信號同時提供給兩個數(shù)字解調器,使輸出的兩個分量能同步輸出。輸出通道中的�(shù)字低通濾波器,可以減小模擬濾波器的截止頻率不�(wěn)定所造成的誤�。輸出DAC將數(shù)字信號轉換為模擬信號輸出,輸出處理單元可以通過和的平方根算法和除法算法計算出被測信號的幅值和相位。輸出微處理器可以對從輔助ADC的數(shù)字信號進行必要的運�,在通過DAC轉換為模擬信號輸出或�(shù)字顯�。另外DLIA還包括一個微控制�,該微處理器有輔助數(shù)字輸�、數(shù)字顯�,鍵盤通訊,IEEE-488通訊和RS233通訊功能�
與ALIA相比,DLIA有以下優(yōu)點:
?�?)由于DLIA在輸出通道中沒有直流放大器,可以避免直流放大器的工作特性隨時間變化的不�(wěn)定性和由于溫度變化引起的溫度漂移帶來的干擾,這是ALIA不可解決的問題之一�
?�?)DLIA的內部晶振時鐘源隨時間和溫度變化小,用這種�(wěn)定性高的時鐘源來做調制信號和參考信號能降低參考信號的不穩(wěn)定所帶來的誤�,同時在內部參考模式中,數(shù)字信號處理單元能在最短時間甚至能不需要延時就能完成鎖相功能,尤其在頻率掃描測量中有其明顯的優(yōu)��
?�?� 如果被測信號有較強的正交�,采用DLIA的高性能的正交解調技術,使微弱信號檢測精度能得到很大程度上的提高�
?�?)隨著技術的�(fā)�,數(shù)字信號處理單元的性價比提高,使DLIA的性價比也得到相應的提�,數(shù)字鎖相技術將會更深入地影響未來的測量技��
維庫電子通,電子知識,一查百��
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